「LEDバックライト」って何だ?

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「LED」がもたらす液晶テレビの新たな世界
今年の液晶テレビはこれが本命!

「LED」がもたらす液晶テレビの新たな世界

PART2 「LEDバックライト」って何だ?

液晶テレビの「バックライト」の仕組み

実は「LEDバックライト」とひと口に言ってもいろいろな種類がある。また、そもそも液晶テレビに「バックライト」というものがあることすらご存じない方も多いだろう。そこで、まず液晶テレビ(ディスプレイ)の仕組みから説明しよう。

液晶テレビの仕組み
液晶テレビの仕組み
液晶テレビは、バックライトから発せられた光が、偏光フィルターと液晶を通って適度に調光され(光を適度に遮断され)、その通過光がRGBの各フィルターを通すことで色を作るという仕組みだ。液晶はそれ自体では発光せず、光を遮断する機能しか持っていない

液晶テレビは、その名の通り「液晶」をパネルに使用するテレビだが、実はこの液晶自体は光を発しない。液晶自体は、背後から照射されるライトを細かく遮断して、光の明るさ(透過率)をコントロールしてRGB各色のフィルターを用いて色を作るにすぎない。この点が、素子の1つ1つが発光するプラズマテレビなどと液晶テレビが根本的に異なる点だ。そのため、液晶テレビにおいては、背面側から照射する光源が別途必要になってくる。それが「バックライト」だ。この仕組みを簡単に言えば、窓にかかっているブラインドのようなものと思えばいい。外光をブラインドで遮って調整するのと似た原理で、液晶がバックライトの光を遮って色を作る。この場合、ブラインドが液晶とすれば、外光に当たるのがバックライトとなる。

液晶テレビの各素子(ドット)の色は、この液晶の開閉によってコントロールされる。このため、光源となるバックライトは全体を均一に照らす方式が一般的だ。この方法では、光源の明るさを個別に細かく制御する必要がないため、製造コストが安く済む。液晶テレビの優位性はここにあるわけだが、逆に言えば、プラズマテレビのような細かい輝度制御が行えないため、全面が暗い夜陰のシーンなどで光漏れによる「白浮き」が起こったりするという、デメリットも合わせ持っている。

このような構造を持つ液晶テレビのバックライトだが、光源の配置方法によって、いくつかの種類に分けることができる。まず、パソコン用の液晶ディスプレイなどで多く用いられる方式が、液晶パネルの周辺部に光源を仕込み、四方から照らされた光を背面の反射板によって全体に拡散させ照射させる「エッジ型」と呼ばれる方式だ。エッジ型の場合、構造が比較的単純なのと、配置する光源が少なくて済むことから、コストを安くできる。また、光源をベゼル部に配置できるので本体を薄くできるのもメリットだ。しかしながら、反射光を使うため明るさに限界があるのと、大型化すると中央に行くほど明るさが落ちてくるためいわゆる「輝度ムラ」ができやすいのが弱点。このため、液晶テレビでは、一部のスリムモデルだけに採用されるのみとなっている。

エッジ型に対するもう1つの方式が「直下型」だ。これは文字通り、液晶パネルの背面全面にまんべんなく光源を配置する方法である。この方式では、エッジ型のような輝度ムラは出にくく、明るさも十分に確保できる。ややコストは高くなってしまうが、輝度を要求される液晶テレビではこの方式が多く用いられる。

バックライトの主な種類と特徴(直下/エッジ型)
直下型バックライト エッジ型バックライト
直下型バックライト エッジ型バックライト
バックライトの主な種類には「エッジ型」と「直下型」の2種類がある。エッジ型のほうが構造自体は単純でスリム化しやすいが、やや輝度ムラが起こりやすく、明るさを得づらい。一方の直下型は背面に光源を配置するため、基本的に明るく、輝度ムラもおこりづらい
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冷陰極管(CCFL)とLEDの基本的な違い

冷陰極管(CCFL)とLEDの違い
冷陰極管(CCFL) LED
冷陰極管(CCFL) LED
液晶テレビのバックライトには、従来は「冷陰極管(CCFL)」(写真左)が主に用いられてきたが、最近ではより色純度が高く、省エネで明るい「白色LED」に変わりつつある(写真右)(写真はあくまでもイメージです。実際に用いられているパーツではありません)

液晶テレビにおけるバックライトの仕組みを理解したところで、その光源となる「冷陰極管」(CCFL)と「LED」との違いについて見てみよう。

冷陰極管は構造的には蛍光灯に用いられる蛍光管と同じ。蛍光管は白熱電球に比べると一般に明るく、省エネで、寿命も長いため、家庭の照明を初めとするさまざまな光源に使われてきた。しかし、蛍光管内部に高電圧の電子放出を行うという構造上、明るさの調整が難しく、特に電源のオン/オフを素早く行うことが苦手だった。長時間灯けておくような家庭用照明であれば問題ないが、素早い輝度調整が求められる液晶テレビにおいてはやや不利な面があり、このため、冷陰極管をバックライトに使った液晶テレビは、その多くが常時バックライトを点けっぱなしという状態で、液晶による開閉のみで輝度を調整していたのである。このため、液晶のわずかなすき間からもれるバックライトの光が「白浮き」という現象を引き起こし、「液晶テレビでは沈んだ黒が表現できない」と言われるに至ったのである。その後、ある程度の輝度コントロール技術が搭載されるようになり、この白浮き問題もだいぶ解消されたが、しかし、根本的な解決には至らなかった。

CCFLとLEDのバックライトの違い
冷陰極管CCFLバックライト LEDバックライト
冷陰極管CCFLバックライト LEDバックライト
「冷陰極管(CCFL)」を用いたバックライトは、背面に数本の冷陰極管を平行に配列するのが一般的。これに対してLEDを用いたバックライトは、LEDを等間隔で背面に並べるのが一般的(いずれも直下型の場合)。LEDバックライトでは、ある程度の明るさを確保するためにかなり多量のLEDを配置する必要がある

こうした冷陰極管バックライトによるデメリットを克服したのがLEDバックライトだ。LEDは「発光ダイオード」と呼ばれる電子パーツであり、元々照明用に作られたものではない。電流を整流化するためのダイオードに発光機能を付けたもので、電流のオン/オフに瞬時に反応する特性を持っているため、電源のオン状態を示すパイロットランプなどに多く用いられてきた。

しかし、そのLEDに十数年前に転機が訪れる。それが「青色LED」と呼ばれるブルーに光るLEDの登場だ。このブルーLEDを応用して作られたのが「白色LED」である。白色LEDは白色の純度が非常に高く、一般の蛍光灯ではやや青白く見える色が真っ白に近く見えるため、見た目には蛍光灯よりも明るく見える。これを応用したのが照明としての白色LEDで、LEDバックパネルもこの白色LEDを採用している。

LEDのメリットは、高速応答性と、白の色純度の高さ、そして省電力性

高速応答性を持ったLED
LED
LED
CCFL
CCFL
LEDのメリットはいくつかあるが、その最大のものが高速応答性だ。LEDは明るさ調光が容易なだけでなく、瞬時にオン/オフできるという瞬発力も持っている。冷陰極管では、オン/オフに時間がかかるため、速い動きに追従できず、いわゆる残像感が残りやすい

白色LEDの特徴は、LEDならではの高速応答性と、白の色純度の高さ、そして省電力性にある。特に高速応答性は、冷陰極管に比べた場合の最大のアドバンテージと言えるだろう。冷陰極管では、電源のオン/オフに時間がかかるため、バックライトを瞬時に消すといった芸当はできなかったが、LEDではそれが行える。また、明るさの調整も冷陰極管よりははるかにやりやすいし、明るさのコントロール幅も冷陰極管に比べて広い。この特性を生かすことで、全体に暗い画面ではLEDバックライトの明るさを落としたり、場合によっては電源をオフにすることで、液晶テレビでは苦手とされていた「漆黒の表現」が可能となった。また、制御自体はやや複雑になるが、バックライトの部分制御を行うことで、一画面上における明るい部分と暗い部分のコントラストがかなりつけられるようになった。LEDの高速応答性は、このように、これまでの冷陰極管では実現できなかった映像表現を可能にするのである。

また、白の色純度の高さも非常に重要だ。と言うのも、これまでの冷陰極管では、リアルな白が表現できず、どことなく青白い色となってしまうため、テレビ全体の色表現(色再現性)の幅を若干狭めていた。それが、LEDバックライトでは、高い色純度を持った白が表現できるため、たとえば夜景に浮かぶビルの灯りなどが非常にリアルな白い色で再現できるようになり、他の色についても非常に明るい色合いを出せるようになった結果、色再現性が飛躍的に高まる。これが、LEDバックライトのもう1つの大きな特性だ。

このように、液晶テレビの表現力を飛躍的に高めてくれるLEDバックライトなのだが、省電力で駆動するという省エネ性をも同時に備えている。冷陰極管も比較的消費電力は少ないが、LEDはさらに少ない電力で駆動するのだ。一概に比べることはできないが、冷陰極管のバックライトを使った液晶テレビよりも、LEDバックライトを使った液晶テレビのほうが消費電力は少ない。たとえば、同じ40V型の液晶テレビでも、従来の冷陰極管を用いたシャープの「AQUOS LC-40DS6」の消費電力が約202Wなのに対し、LEDバックライトを用いた「LED AQUOS LC-40LX1」は約145Wと、3割程度も消費電力が抑えられている。従来より液晶テレビは、それまでのブラウン管やプラズマテレビなどと比べても省エネと言われてきたが、LEDバックライトの採用によって、さらに省エネ化が推し進められるのである。

また、LEDは製品寿命も長いと言われている。蛍光灯と同じ原理を利用した冷陰極管の場合、使用時間が長くなってくると、徐々に発光効率が落ちて明るさが落ちてくる。これに比べて、LEDのほうは長い間使い続けても、明るさが長く持続すると言われる。高速で明るく、しかも省エネ。さらに長く使い続けられる。これが、LEDバックライトの大きな特徴なのである。

冷陰極管(CCFL)とLEDの性能比較(まとめ)
  冷陰極管(CCFL) LED
明るさ
高速応答性 ×
色純度 やや青い 純度の高い白
省エネ性
耐久性
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エリアコントロール機能を使った高画質化の光と影

AQUOSのフラッグシップモデル「AQUOS XS」
シャープが2008年に発売したAQUOSのフラッグシップモデル「AQUOS XS」には、すでに高い技術で制御されたLEDバックライトが搭載されていた。エリアコントロール機能を搭載し、100万:1というダイナミックコントラストを実現した名機である。しかし、価格は非常に高く、一般的な製品とは言えなかった

このように液晶テレビの描画性能を一段アップさせてくれそうなLEDバックライトなのだが、これまでは各メーカーの最上位モデルにしか搭載されてこなかった。光源となるLED自体の価格がまだ高いという理由もあるのだが、それよりもコストを押し上げているのが、その複雑な制御回路の存在である。

前述したように、バックライトの種類には「エッジ型」と「直下型」があるが、国産メーカーの液晶テレビで多いのは直下型のLEDバックライトである。LEDの場合、バックライト全体にLEDをいくつも並べて配置し、光をムラなく均一に出すことができるのだが、この複数のLEDの輝度を、全体でコントロールするか、いくつかの部分ごとに分けて別々に行うかで、制御の方法はまったく異なってくる。全体でコントロールする方式のほうが当然制御も簡単でコストもかからないのだが、エリアごとにコントロールする「エリアコントロール方式(ローカルディミング方式)」のほうが、画面上のコントラストが飛躍的に高められるので画質は向上する。画質にこだわる国産メーカーの液晶テレビは、「LEDバックライト+エリアコントロール」という組み合わせで画質重視のモデルを作ることにこれまで主眼を置いてきたため、コストが高くついてしまい、結局、LEDバックライトはフラッグシップモデルにしか搭載されないことになってしまったのである。

LEDバックライトのエリアコントロール(ローカルディミング)
エリアコントロールなし エリアコントロールあり
エリアコントロールなし エリアコントロールあり
一般的な液晶テレビでは、バックライトの明るさ調整を全体で一元化して行う。これに対して、バックライトをいくつかのエリアに分割し、そのエリアごとに明るさを調整する方式が「エリアコントロール(ローカルディミング)」だ。これを使うことで、1枚の映像の中でも、明るいエリアと暗いエリアを分けることができ、たとえば「闇夜に浮かぶ月」といった映像でも、「闇は暗く、月は明るく」というように、バックライトを調整することができる

もちろんのこと、エリアコントロール機能を搭載した液晶テレビの画質は非常に素晴らしい。同じ画面の中でも、明るい部分と暗い部分の差が明確につけられるため、いわゆる「ダイナミックコントラスト」が非常に高くなる。たとえば、それまでの液晶テレビが苦手としていたような「夜の闇に輝く月明かり」というような表現でも、これがはたして液晶テレビの画質か?と思うほどの高いコントラストをすでに実現できている。

しかし、エリアコントロールといえども決して万能ではない。エリアコントロールを使ったLEDバックライトは、液晶テレビの画面をいくつかのブロックに分けて、LEDの明るさを別個にコントロールする。当然ながら、各エリアの間には極端なコントラスト差が現れることがあり、このエリア間の差が映像に悪影響を与えてしまう可能性もある。また、組み合わせて使用する液晶パネルの遮光性が低い場合、隣のエリアのバックライトの光が漏れて、いわゆる「ハロー効果」をもたらすこともあり得る。こうした点がエリアコントロール制御の難しさであり、組み合わせる液晶パネルの性能などと合わせて考えないと、その効果も最大限に発揮することができない。もちろんエリアの分割数を多くすれば効果は高まるが、各社のフラッグシップモデルですらシャープが千数百(未公表)、東芝が512分割となっている。当然、LEDの数も増やさなくてはならなくなり、エリアコントロールにはコストがかかってしまうのである。

ハロー効果
正しい映像 ハロー効果の出た映像
正しい映像 ハロー効果の出た映像
ハロー(Halo)とは「後光」のこと。街灯や月などの光を映した場合に、液晶側で光漏れがあると、周囲の闇が暗くなりきらず、後光のように周囲に拡散してぼやけてしまう。これが「ハロー効果(現象)」である

しかし、せっかくのLEDバックライトのすぐれた性質を、このまま生かさないのはもったいない。なんとか低価格でもLEDバックライトのメリットを十分に伝えられる方法はないものか。そんな試行錯誤の中から生まれたのが、昨年2009年の12月、電撃的に登場したシャープの「LED AQUOS」であった。PART3では、この「LED AQUOS」の特徴について細かく見ていくことにする。